氧电极测定光合细菌在特殊条件下的产氢量的应用

2020-03-17 来源:www.hanshatech.com 点击次数:1770

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氢气作为一种无碳的清洁能源，具有发热值高、能量转化效率高和燃料产物清洁无污染等优点，是一种极有潜力的化石燃料替代能源。生物制氢方式通过完整的细胞催化有机物或水裂解生成氢气，降低了反应的活化能，无需苛刻的反应条件，使制氢过程变得简单易行，但是由于受到原料成本和制氢效率的限制，目前其生产成本仍然较高。

到目前为止，已报道的能进行生物产氢的生物有5种，分别是异养型厌氧细菌、固氮菌、厌氧光合营养细菌、真核藻类和蓝细菌。根据生物种类、是否需要光照以及底物的不同等方面分为两个大的类别：发酵制氢和光水解制氢。

其中发酵制氢分为暗发酵制氢和光发酵制氢，光解水制氢可以分为绿藻光合制氢和蓝藻光解水制氢。紫色非硫细菌是一类光能自养型细菌，多分布在淡水、海水和高盐等含有可溶性有机物和低氧压的水生环境中，也常见于潮湿的土壤和水稻田中。

英国Hansatech生产的Clark液相氧电极是一款测定溶液中氧气含量的经典仪器。经过特殊的电镀可以改变电极的阴极和阳极进行其他气体的测定，包括氢气、一氧化氮等。

近期，Medhat Elbadry课题组于International journal of hydrogen energy杂志发表了题为"Photoheterotrophic growth of purple non-sulfur bacteria on Tris Acetate Phosphate Yeast extract (TAPY) medium and its hydrogen productivity in light under nitrogen deprivation"的研究论文。

报道了紫色非硫细菌（PNSB）在磷酸三乙酯酵母抽提物（TAPY）培养基上进行异养生长和使用Clark氧电极（Hansatech，英国）测定其在不同条件下的产氢量。

图注：在供氮培养基TAPY中培养R. rubrum DSM 467 (A), R. sphaeroides DSM 5864 (B) 和 R. capsulatus JCM-21090 (C)的生长状况。

研究发现，在缺氮条件下，与黑暗生长相比，PNSB在照光条件下生长更快产氢更多。在无氮条件下紫色非硫细菌R.sphaeroides DSM 5864（以下简称DSM 5864）发酵20h后开始产氢，78h达到最大积累量，发酵42h后达到最大产氢速率0.669mmol H₂ h^-1 L^-1。由于在缺氮条件下能够产生氢气，而在充氮培养基上不产生氢气，说明固氮酶是负责制氢的酶。

图注：在光照条件下，无氮TAPY培养基中，R.sphaeroides DSM 5864的累积产氢量（●）和产氢速率（○）。

在无氮TAPY培养基上，DSM 5864在黑暗中无法产生的氢气，表明光对产氢过程是必要的。由于氢只在缺氮和光照条件下产生，因此，DSM 5864中的固氮酶活性需要光来驱动电子传递，从而产生固氮酶所必需的ATP。

DSM 5864可能存在光合和厌氧呼吸电子传递的相互作用，这需要光和有机碳源（乙酸）来激发固氮酶的产氢活性。因此，无氮、光照和乙酸是固氮酶产生氢气所必需的。

图注：在光照和黑暗条件下，无氮TAPY培养基中，R.sphaeroides DSM 5864的累积产氢量。光照（●），黑暗（○）

为了研究无氮TAPY培养基上重复分批产氢的效果，采用同种菌株发酵进行了3轮以上的产氢试验。在每一循环的制氢对数阶段结束时，通过在介质中添加醋酸钠，可在三个循环内实现有效的重复间歇制氢。在第2、3轮分批发酵中的效率分别为94.9%和90.6%。与第一轮相比，第四轮的效率下降了59.2%，第四轮的低效率可能是由于细菌的活力的降低。因此，通过连续添加醋酸钠可实现三个循环的高效重复批量制氢。

图注：光照条件下，无氮TAPY培养基上R.sphaeroides DSM 5864在重复间歇累积产氢量。第1次（●）；第2次（◆）；第3次（▲）和第4次（■）循环的分批发酵。在每一轮试验后，按照材料和方法中的描述留下复制瓶，不添加醋酸钠作为对照。

生物制氢在可持续的氢经济中发挥重要作用，在未来的生物工业中，可以利用廉价的有机废物，通过暗发酵和光发酵产生氢气。PNSB光发酵制氢在利用光照和各种有机废弃物方面具有相当大的优势。

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